提质增效的中温相变复合蓄热材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种相变复合蓄热材料，特别是涉及一种提质增效的中温相变复合蓄热材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着《北方地区冬季清洁取暖规划（2017
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2021年）》的提出，以各种清洁取暖方式替代散烧煤，有效缓解了北方地区冬季大气污染问题。但“煤改电”清洁取暖引起电力负荷峰谷差持续加大，用电高峰区间紧张的供电形势愈发严重，用电低谷时电力供应过剩的问题也已凸显。基于分时电价机制，通过相变材料在谷电价时进行加热，在峰电价时放热，可推动北方地区的清洁取暖，有效解决电力供应的问题。
3.赤藓糖醇熔点118℃，相变焓300.24j/g且具有无毒无害、清洁环保等特点，是性能优越的相变材料之一，但其过冷度大，约为56℃，热导率低，约为0.7w/（m
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k）。目前提高赤藓糖醇导热率主要利用石墨、膨胀石墨、石墨烯等高导热率材料与赤藓糖醇混合。如文献heyao zhang, jinxing cheng, qingbo wang, dongbo xiong, jinliang song, zhongfeng tang, xiangdong liu,the graphite foam/erythritol composites with ultrahigh thermal conductivity for medium temperature applications,solar energy materials and solar cells,230,（2021）,3，将石墨泡沫与赤藓糖醇混合，热扩散率提高66或117倍；文献v. mayilvelnathan, a. valan arasu,experimental investigation on thermal behavior of graphene dispersed erythritol pcm in a shell and helical tube latent energy storage system,international journal of thermal sciences,155,（2020）,将石墨烯掺杂到赤藓糖醇中得到提升热导率153%的相变复合材料；文献liuhua gao, jun zhao, qingsong an, dong zhao, feng meng, xueling liu,experiments on thermal performance of erythritol/expanded graphite in a direct contact thermal energy storage container,applied thermal engineering, 113,(2017),858
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866,通过掺杂膨胀石墨到赤藓糖醇中，降低过冷度6℃；专利徐超,袁梦迪,叶锋,任云秀,巨星. 定型膨胀石墨基赤藓糖醇中温复合相变储热材料的制备[p]. 北京市：cn107603571b,2020
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28.通过掺杂膨胀石墨制备的相变复合材料导热率比纯赤藓糖醇增加了10倍多，过冷度减小了15℃；专利李俊峰,卢鹉,罗正平,赵立波,金珂. 一种多元醇相变复合材料及其制备方法[p]. 北京市：cn106281235b,2019
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18.以丁四醇、季戊四醇和木糖醇粉体混合制备过冷度比丁四醇低35
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50℃的相变复合材料；专利唐忠锋,宋金亮,王建强,张鹤耀,凌长见,汪洋,王子睿. 一种石墨泡沫赤藓糖醇相变蓄热材料及其制备方法[p]. 上海市：cn111154458a,2020
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15.通过石墨泡沫掺杂赤藓糖醇，得到热导率为51.70w/(m
·
k)
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73.56w/(m
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k)的相变蓄热材料。
[0004]
总之，赤藓糖醇作为相变材料具有较高的相变焓且热性能稳定，但导热系数低、过冷度大，应用受到限制。现有技术虽通过掺杂的方式对性能有所改善，但是效果不明显。因此，现有赤藓糖醇基复合蓄热材料蓄热质效性能，特别是过冷度及热导率性能急需改进，以
追逐竞争激烈又迅速发展的市场需求。


技术实现要素：

[0005]
本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种显著提高过冷度及热导率性能的提质增效的中温相变复合蓄热材料，本发明还涉及该材料的制备方法。
[0006]
为实现上述目的，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料，其特别之处在于原料重量配比为：赤藓糖醇100，复合碳材料1
‑
2，复合碳材料中碳纤维与碳粒子重量比为1:1
‑
7:3；是熔化状态下的所述赤藓糖醇与碳纤维及碳粒子均匀混合后的凝固体。所述凝固体是混合液注入模具容器后的凝固体，凝固是环境温度下的自然降温凝固。原料重量配比优选为：赤藓糖醇100，复合碳材料1.5；更优选复合碳材料中碳纤维与碳粒子重量配比3:2。具有高导热、低过冷度，热稳定性好，显著提高质效的优点。
[0007]
作为优化，所述碳纤维为碳纤维坩埚在车削机加过程中产生的碳纤维副产品，所述碳粒子在生产碳纤维坩埚过程中沉积得到的沉积碳。复合碳材料因为是低价的副产品，使得本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料更具有成本低的优点。
[0008]
作为优化，所述碳纤维和碳粒子分别是生产单晶铸锭炉热场件坩埚过程中车削下来的碳纤维副产品和沉积得到的沉积碳。
[0009]
作为优化，所述碳纤维是利用纤维缠绕技术将碳纤维制成坩埚预制体，通过高温等生产工艺制得碳纤维坩埚，随后在车削机加过程中产生的碳纤维副产品，碳粒子则为生产碳纤维坩埚过程中由沉积得到。
[0010]
作为优化，所述碳纤维挥发分0.99%，灰分0.459%，导热率900w/（m
·
k）；碳粒子挥发分0.092%，灰分0.013%，表面积平均粒径18.188μm，体积平均粒径45.712μm。
[0011]
作为优化，是加热至130℃，直至完全熔化的所述赤藓糖醇与碳纤维及碳粒子搅拌成均匀混合液，待混合液凝固后的脱模凝固体。所述混合液注入模具容器后的凝固是环境温度下的自然降温凝固。
[0012]
作为优化，所述搅拌是在赤藓糖醇熔化状态下以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟。
[0013]
本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料的制备方法是加热至完全熔化的100重量份的赤藓糖醇与1
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2重量份的复合碳材料均匀混合后凝固而成，复合碳材料中碳纤维与碳粒子重量比为1:1
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7:3。优选为加热至完全熔化的100重量份的赤藓糖醇与1.5重量份的复合碳材料均匀混合后凝固而成，复合碳材料中碳纤维与碳粒子重量比为3:2。所述碳纤维是利用纤维缠绕技术将碳纤维制成坩埚预制体，通过高温生产工艺制得碳纤维坩埚，随后在车削机加过程中产生的碳纤维副产品，碳粒子则为生产碳纤维坩埚过程中由沉积碳得到。具有高导热、低过冷度，热稳定性好，显著提高质效的优点。
[0014]
作为优化，所述碳纤维为碳纤维坩埚在车削机加过程中产生的碳纤维副产品，所述碳粒子是生产碳纤维坩埚过程中沉积得到的沉积碳。所述碳纤维和碳粒子分别是生产单晶铸锭炉热场件坩埚过程中车削下来的碳纤维副产品和沉积得到的沉积碳。具有高导热、低过冷度，热稳定性好，成本低，显著提高质效的优点。
[0015]
作为优化，是先将规定量的赤藓糖醇加入附搅拌和加热装置的反应容器里，搅拌下加热至130℃，直至完全熔化，搅拌下加入规定量的碳纤维及碳粒子，熔化下搅拌至混合
均匀后，混合液注入模具容器，凝固后，脱模制得。所述混合液注入模具容器后的凝固是环境温度下的自然降温凝固。所述搅拌是在赤藓糖醇熔化状态下以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟。
[0016]
采用上述技术方案后，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料及其制备方法具有高导热、低过冷度，热稳定性好，成本低，显著提高质效的优点。
附图说明
[0017]
图1是本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料及其制备方法所用纯赤藓糖醇的金相显微照片。图2
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4分别是本发明实施例五的提质增效的中温相变复合蓄热材料20μm和50μm及10μm的金相显微照片。图5
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7分别是本发明所用纯赤藓糖醇与实施例五的提质增效的中温相变复合蓄热材料的xrd对比图、红外对比图、dsc对比图。图8
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9分别是本发明实施例五的提质增效的中温相变复合蓄热材料与所用纯赤藓糖醇的tga图。图10是本发明实施例五的提质增效的中温相变复合蓄热材料与所用纯赤藓糖醇的温度性能对比图。
具体实施方式
[0018]
实施例一，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料原料重量配比为：赤藓糖醇100， 复合碳材料1，复合碳材料中碳纤维与碳粒子重量比为1:1；是熔化状态下的所述赤藓糖醇与碳纤维及碳粒子均匀混合后的凝固体。所述凝固体是混合液注入模具容器后的凝固体，凝固是环境温度下的自然降温凝固。制备以赤藓糖醇为基体，复合碳材料为填料，并且为赤藓糖醇重量的1.0%，复合碳材料中碳纤维和碳粒子的重量比例为1:1，具体步骤为：首先称取10g赤藓糖醇，放入60ml平底烧瓶中，将平底烧瓶置于磁力加热搅拌器上，加热至130℃，直至赤藓糖醇完全熔化，按照赤藓糖醇重量的1.0%称取比例为1:1的碳纤维和碳粒子共0.1g。将复合碳材料缓慢加入烧瓶中，加入磁子以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟，停止加热、搅拌，待混合液凝固后，脱模，得到相变复合材料。该复合碳材料/赤藓糖醇复合相变蓄热材料相变焓为339.38j/g，相变温度118.17℃，过冷度为24℃，热扩散系数0.227mm2/s。
[0019]
所述碳纤维为碳纤维坩埚在车削机加过程中产生的碳纤维副产品，所述碳粒子是生产碳纤维坩埚过程中沉积得到的沉积碳。所述碳纤维和碳粒子分别是生产单晶铸锭炉热场件坩埚过程中车削下来的碳纤维副产品和沉积得到的沉积碳。所述碳纤维是利用纤维缠绕技术将碳纤维制成坩埚预制体，通过高温等生产工艺制得碳纤维坩埚，随后在包括车削的机加过程中产生的碳纤维副产品，碳粒子则为生产碳纤维坩埚过程中由沉积得到。所述碳纤维挥发分0.99%，灰分0.459%，导热率900w/（m
·
k）；碳粒子挥发分0.092%，灰分0.013%，表面积平均粒径18.188μm，体积平均粒径45.712μm。
[0020]
是加热至130℃，直至完全熔化的所述赤藓糖醇与碳纤维及碳粒子搅拌成均匀混合液，待混合液凝固后的脱模凝固体。所述混合液注入模具容器后的凝固是环境温度下的自然降温凝固。所述搅拌是在赤藓糖醇熔化状态下以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟。
[0021]
所述碳纤维是利用纤维缠绕技术将碳纤维制成坩埚预制体，通过高温等生产工艺制得碳纤维坩埚，随后在车削机加过程中产生的碳纤维副产品，碳粒子则为生产碳纤维坩埚过程中由沉积碳得到。所述碳纤维和碳粒子分别是生产单晶铸锭炉热场件坩埚过程中车削下来的碳纤维副产品和沉积得到的沉积碳。制备方法是先将规定量的赤藓糖醇加入附搅
拌和加热装置的反应容器里，搅拌下加热至130℃，直至完全熔化，搅拌下加入规定量的碳纤维及碳粒子，熔化下搅拌至混合均匀后，混合液注入模具容器，凝固后，脱模制得。所述混合液注入模具容器后的凝固是环境温度下的自然降温凝固。所述搅拌是在赤藓糖醇熔化状态下以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟。具有高导热、低过冷度，热稳定性好，成本低，显著提高质效的优点。
[0022]
实施例二，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料与上述实施例一的区别在于：制备以赤藓糖醇为基体，复合碳材料为填料，并且重量为赤藓糖醇重量的1.0%，复合碳材料中碳纤维和碳粒子比例为3:2的复合相变蓄热材料，具体步骤为：首先称取10g赤藓糖醇，放入60ml平底烧瓶中，将平底烧瓶置于磁力加热搅拌器上，加热至130℃，直至赤藓糖醇完全熔化，按照赤藓糖醇重量的1.0%称取重量比例为3:2的碳纤维和碳粒子共0.1g。将复合碳材料缓慢加入烧瓶中，加入磁子以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟，停止加热、搅拌，待混合液凝固后，脱模，得到相变复合材料。该复合碳材料/赤藓糖醇复合相变蓄热材料相变焓为357.1j/g，相变温度118.21℃，过冷度为24℃热扩散系数0.231mm2/s。
[0023]
实施例三，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料与上述实施例一的区别在于：制备以赤藓糖醇为基体，复合碳材料为填料，并且重量为赤藓糖醇重量的1.0%，复合碳材料中碳纤维和碳粒子的比例为7:3的复合相变蓄热材料，具体步骤为：首先称取10g赤藓糖醇，放入60ml平底烧瓶中，将平底烧瓶置于磁力加热搅拌器上，加热至130℃，直至赤藓糖醇完全熔化，按照赤藓糖醇的重量的1.0%称取重量比例为7:3的碳纤维和碳粒子共0.1g，。将复合复合碳材料缓慢加入烧瓶中，加入磁子以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟，停止加热、搅拌，待混合液凝固后，脱模，得到相变复合材料。该复合碳材料/赤藓糖醇复合相变蓄热材料相变焓为336.43j/g，相变温度118.59℃，过冷度为28℃热扩散系数0.241mm2/s。
[0024]
实施例四，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料与上述实施例一的区别在于：制备以赤藓糖醇为基体，复合碳材料为填料, 并且重量为赤藓糖醇重量的1.5%，复合碳材料中碳纤维和碳粒子比例为1:1的复合相变蓄热材料，具体步骤为：首先称取10g赤藓糖醇，放入60ml平底烧瓶中，将平底烧瓶置于磁力加热搅拌器上，加热至130℃，直至赤藓糖醇完全熔化，按照赤藓糖醇重量的1.5%称取重量比例为1:1的碳纤维和碳粒子共0.15g。将复合碳材料缓慢加入烧瓶中，加入磁子以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟，停止加热、搅拌，待混合液凝固后，脱模，得到相变复合材料。该复合碳材料/赤藓糖醇复合相变蓄热材料相变焓为370.8j/g，相变温度118.27℃，过冷度为24℃，热扩散系数0.243mm2/s。
[0025]
实施例五，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料与上述实施例一的区别在于：制备以赤藓糖醇为基体，复合碳材料为填料, 并且重量为赤藓糖醇重量的1.5%，复合碳材料中碳纤维和碳粒子比例为3:2的复合相变蓄热材料，具体步骤为：首先称取10g赤藓糖醇，放入60ml平底烧瓶中，将平底烧瓶置于磁力加热搅拌器上，加热至130℃，直至赤藓糖醇完全熔化，按照赤藓糖醇重量的1.5%称取重量比例为3:2的碳纤维和碳粒子共0.15g，。将复合碳材料缓慢加入烧瓶中，加入磁子以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟，停止加热、搅拌，待混合液凝固后，脱模，得到相变复合材料。该复合碳材料/赤藓糖醇复合相变蓄热材料相变焓为399.5j/g，相变温度118.74℃，过冷度为24℃，热扩散系数0.26mm2/s。
[0026]
实施例六，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料与上述实施例一的区别在于：制备以赤藓糖醇为基体，复合碳材料为填料，并且重量为赤藓糖醇重量的1.5%，复合碳
材料中碳纤维和碳粒子比例为7:3的复合相变蓄热材料，具体步骤为：首先称取10g赤藓糖醇，放入60ml平底烧瓶中，将平底烧瓶置于磁力加热搅拌器上，加热至130℃，直至赤藓糖醇完全熔化，按照赤藓糖醇重量的1.5%称取重量比例为7:3的碳纤维和碳粒子共0.15g，。将复合碳材料缓慢加入烧瓶中，加入磁子以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟，停止加热、搅拌，待混合液凝固后，脱模，得到相变复合材料。该复合碳材料/赤藓糖醇复合相变蓄热材料相变焓为353.45j/g，相变温度119.1℃，过冷度为29℃，热扩散系数0.276mm2/s。
[0027]
实施例七，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料与上述实施例一的区别在于：制备以赤藓糖醇为基体，复合碳材料为填料，并且重量为赤藓糖醇重量的2.0%，复合碳材料中碳纤维和碳粒子比例为1:1的复合相变蓄热材料，具体步骤为：首先称取10g赤藓糖醇，放入60ml平底烧瓶中，将平底烧瓶置于磁力加热搅拌器上，加热至130℃，直至赤藓糖醇完全熔化，按照赤藓糖醇重量的2.0%称取重量比例为1:1的碳纤维和碳粒子共0.2g。将复合碳材料缓慢加入烧瓶中，加入磁子以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟，停止加热、搅拌，待混合液凝固后，脱模，得到相变复合材料。该复合碳材料/赤藓糖醇复合相变蓄热材料相变焓为310.92j/g，相变温度118.48℃，过冷度为26℃，热扩散系数0.257mm2/s。
[0028]
实施例八，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料与上述实施例一的区别在于：制备以赤藓糖醇为基体，复合碳材料为填料，并且重量为赤藓糖醇重量的2.0%，复合碳材料中碳纤维和碳粒子比例为3:2的复合相变蓄热材料，具体步骤为：首先称取10g赤藓糖醇，放入60ml平底烧瓶中，将平底烧瓶置于磁力加热搅拌器上，加热至130℃，直至赤藓糖醇完全熔化，按照赤藓糖醇重量的2.0%称取重量比例为3:2的碳纤维和碳粒子共0.2g。将复合碳材料缓慢加入烧瓶中，加入磁子以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟，停止加热、搅拌，待混合液凝固后，脱模，得到相变复合材料。该复合碳材料/赤藓糖醇复合相变蓄热材料相变焓为312.59j/g，相变温度118.78℃，过冷度为22℃，热扩散系数0.271mm2/s。
[0029]
实施例九，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料与上述实施例一的区别在于：制备以赤藓糖醇为基体，复合碳材料为填料，并且重量为赤藓糖醇重量的2.0%，复合碳材料中碳纤维和碳粒子比例为7:3的复合相变蓄热材料，具体步骤为：首先称取10g赤藓糖醇，放入60ml平底烧瓶中，将平底烧瓶置于磁力加热搅拌器上，加热至130℃，直至赤藓糖醇完全熔化，按照赤藓糖醇重量的2.0%称取重量比例为7:3的碳纤维和碳粒子共0.2g。将复合碳材料缓慢加入烧瓶中，加入磁子以120r/min的搅拌速率搅拌30分钟，停止加热、搅拌，待混合液凝固后，脱模，得到相变复合材料。该复合碳材料/赤藓糖醇复合相变蓄热材料相变焓为308.51j/g，相变温度119.31℃，过冷度为27℃，热扩散系数0.28mm2/s。
[0030]
复合碳材料添加重量为赤藓糖醇重量的1.0%
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2.0%时，碳纤维和碳粒子的重量比例为1:1
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7:3的范围内，热扩散系数、相变焓等指标均比纯赤藓糖醇显著高，因此该范围为制备复合相变材料的较佳配比范围。且复合碳材料添加量为赤藓糖醇重量的1.5%时，碳纤维和碳粒子的重量比例为3:2时性能较好，为最佳配比。
[0031]
总之，本发明提质增效的中温相变复合蓄热材料及其制备方法具有高导热、低过冷度，热稳定性好，成本低，显著提高质效的优点。